JP5808593B2

JP5808593B2 - 鉄骨有孔梁の補強構造

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Publication number: JP5808593B2
Application number: JP2011148973A
Authority: JP
Inventors: 邦江池内; 平川　恭章; 恭章平川; 和宏佐分利; 洋文金子; 宇佐美　徹; 徹宇佐美; 賢二山▲崎▼; ふみ牛渡
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: JP2013014956A

Description

本発明は、鉄骨有孔梁の補強構造に関する。

従来から、鉄骨梁において、開口が形成された梁端部を補強する補強構造が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された補強構造では、梁ブラケットと梁本体とを連結する梁継手部に、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがって貫通孔（開口）が形成されている。この貫通孔の上下には梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがるアングルが設けられている。これらのアングルによって、貫通孔により断面欠損された梁継手部が補強されている。

特開平５−１７９７５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された補強構造では、梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に、アングルの中央部を高力ボルトで摩擦接合するため、アングルの上下端部が梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に一体化されず、自由端部となる。従って、梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に作用するせん断力に対し、アングルの上下端部が抵抗できず、十分な補強効果を得ることが困難な場合がある。

本発明は、上記の事実を考慮し、補強効果が向上された鉄骨有孔梁の補強構造を得ることを目的とする。

請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、梁継手部を避けてウェブ部に円形の貫通孔が形成された鉄骨梁と、前記ウェブ部の片面に設けられ、長手方向を前記鉄骨梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、を備え、前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、前記切断面から前記補強プレートの長手方向両端までの長さをそれぞれＳ _１，Ｓ _２、前記貫通孔の半径をＲとしたときに、前記補強プレートがＬ形鋼の場合、Ｓ _１ ≧２．５Ｒ、かつＳ _２ ≧２．５Ｒとされ、前記補強プレートがＬ形鋼以外の場合、Ｓ _１ ≧３．０Ｒ、かつＳ _２ ≧３．０Ｒとされている。

請求項１に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、補強プレートの上下端部をウェブ部に接合したことにより、鉄骨梁のウェブ部に作用するせん断力に対し、補強プレートが全断面積で抵抗可能になる。従って、補強プレートの補強効果が向上する。

なお、本発明における鉄骨梁は、梁継手部を有するブラケットタイプの鉄骨梁だけでなく、梁継手部を有しないノンブラケットタイプの鉄骨梁も含む概念である。

また、請求項１に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、ウェブ部に貫通孔がない無孔（無開口）の鉄骨梁と同等の力学的性状を得ることができる。

請求項２に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、梁継手部を避けてウェブ部に貫通孔が形成された鉄骨梁と、前記ウェブ部の片面に設けられ、長手方向を前記鉄骨梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、を備え、前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、前記鉄骨梁が接合される鉄骨柱によって拘束される前記ウェブ部の拘束端から前記貫通孔の中心までの距離をＤ、前記貫通孔の半径をＲ、前記切断面から前記鉄骨柱側の前記補強プレートの長手方向一端までの長さをＳ_１、前記切断面から前記補強プレートの長手方向他端までの長さをＳ_２としたときに、前記補強プレートがＬ形鋼の場合、１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．７５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ_１≦Ｄ、かつＳ_２≧２．５Ｒとされ、前記補強プレートがＬ形鋼以外の場合、１．７５Ｒ≦Ｄ≦３．２５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ_１≦Ｄ、かつＳ_２≧３．０Ｒとされている。

請求項２に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、補強プレートの上下端部をウェブ部に接合したことにより、鉄骨梁のウェブ部に作用するせん断力に対し、補強プレートが全断面積で抵抗可能になる。従って、補強プレートの補強効果が向上する。
なお、本発明における鉄骨梁は、梁継手部を有するブラケットタイプの鉄骨梁だけでなく、梁継手部を有しないノンブラケットタイプの鉄骨梁も含む概念である。
また、請求項２に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、ウェブ部に貫通孔がない無孔（無開口）の鉄骨梁と同等の力学的性状を得ることができる。また、補強プレートの長さＳ_２と比較して、鉄骨柱側の補強プレートの長さＳ_１を短くすることができる。従って、補強プレートの材料コストを削減することができる。

以上説明したように、本発明に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、補強効果を向上することができる。

（Ａ）は本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図である。（Ａ）は図１（Ｂ）の一部拡大断面図であり、（Ｂ）は比較例を示す図２（Ａ）に相当する断面図である。本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。（Ａ）は本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図であり、（Ｂ）は図４（Ａ）の４Ｂ−４Ｂ線断面図である。本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用された鉄骨梁を示す図１（Ｂ）に相当する断面図である。（Ａ）は解析モデルの基本モデルを示す正面図であり、（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面である。他の解析モデルを示す図８（Ｂ）に相当する断面図である。性能解析に用いた解析モデルの詳細を示す表である。（Ａ）は解析結果の評価項目である全塑性耐力を説明するための模式グラフであり、（Ｂ）は同評価項目である塑性変形倍率を説明するための模式グラフである。解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造について説明する。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）には、本実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造が適用された鉄骨梁としてのＨ形鋼梁１０が示されている。なお、矢印Ｘは、鉄骨梁の梁軸方向を示しており、梁軸方向のうち鉄骨梁の端部（鉄骨柱）に向う方向を梁軸方向外側とし、鉄骨梁の中央部に向う方向を梁軸方向内側として以下説明する。

Ｈ形鋼梁１０は、鉄骨柱３０と図示しない鉄骨柱の間に架設されている。このＨ形鋼梁１０は、図示しない梁本体と、梁本体の長手方向両端部にそれぞれ連結された梁ブラケット１２とを備えている。梁ブラケット１２はＦＡランク相当のＨ形鋼で構成され、梁ブラケット１２の端部が鉄骨柱３０に外側面に突き当てられて溶接等により接合されている。なお、梁ブラケット１２は工場等で予め鉄骨柱３０に接合されており、現場において梁ブラケット１２に梁本体を溶接や高力ボルト等で連結することにより、Ｈ形鋼梁１０が構成されている。また、本実施形態では、鉄骨柱３０が角形鋼管で構成されているが、Ｈ形鋼等で構成しても良い。

鉄骨梁としての梁ブラケット１２は、上下一対のフランジ部１２Ａと、これらのフランジ部１２Ａを繋ぐウェブ部１２Ｂとを備えている。梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの一端は、鉄骨柱３０の外側面に突き当てられて溶接されており、鉄骨柱３０によってその変形が拘束された拘束端１２ＢＫとされている。また、ウェブ部１２Ｂには、設備等に用いられる貫通孔１４が形成されている。貫通孔１４は中心Ｃを中心とした半径Ｒの円形の孔で、梁ブラケット１２と梁本体（図示省略）との梁継手部（連結部）を避けて鉄骨柱３０側の塑性化領域に形成されている。この貫通孔１４によって、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂが部分的に欠損されている。なお、ここでいう塑性化領域とは、地震力を受けたときに、最初に塑性化し易いＨ形鋼梁１０の端部側の領域を意味し、例えば、Ｈ形鋼梁１０の梁端から梁成の１〜２倍の領域である。

梁ブラケット１２のフランジ部１２Ａの片面には、一対の補強プレート１６が設けられている。一対の補強プレート１６は、その断面積が全長に渡って略一定とされたフラットバー（平鋼板）で構成され、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔１４の上下（上下方向両側）に重ねられている。また、一対の補強プレート１６は、長手方向を梁軸方向（矢印Ｘ方向）にして略平行に配置されており、正面視にて長手方向一端（梁軸方向外側の一端）Ｌｏが貫通孔１４よりも梁軸方向外側に位置すると共に、長手方向他端（梁軸方向内側の他端）Ｌｉが貫通孔１４よりも梁軸方向内側に位置している。

また、図２（Ａ）に示されるように、補強プレート１６の上下端部（長辺側の端部）としての上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂは、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合されている。具体的には、補強プレート１６は、上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがその全長に渡ってウェブ部１２Ｂに隅肉溶接で連続溶接されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６が全断面積で抵抗可能になっている。

なお、本実施形態では、補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏ及び長手方向他端１６Ｌｉが梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合されていないが、溶接等で接合しても良い。また、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂをエポキシ樹脂等の接着剤で梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合しても良い。また、補強プレート１６は、溶接代を残して上端部１６Ａ又は下端部１６Ｂを貫通孔１４の縁に近づけることが望ましい。

次に、補強プレート１６の各種設定値について詳説する。なお、以下で説明する設定値は、後述する性能解析の結果に基づくものである。

先ず、補強プレート１６の断面積について説明する。

各補強プレート１６の断面積は、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの欠損を補うように設定されている。具体的には、図１（Ｂ）に示されるように、梁軸方向（矢印Ｘ方向）と直交し、貫通孔１４の中心Ｃを通る切断面ＣＰ（１Ｂ−１Ｂ線）で切断した梁ブラケット１２及び各補強プレート１６の断面において、２本の補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆ_ｓｕｍが、貫通孔１４による梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの最大断面欠損面積Ｇ_ｍａｘ以上（Ｆ_ｓｕｍ≧Ｇ_ｍａｘ）になるように設定されている。この図１（Ｂ）に示される断面では、切断面ＣＰが貫通孔１４の中心Ｃを通るため、貫通孔１４による梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの断面欠損面積が最大となっている。

なお、図１（Ａ）及び図２（Ａ）にそれぞれ示されるように、各補強プレート１６の幅（上下方向の長さ）Ｗは貫通孔１４の半径Ｒ以上（Ｗ≧Ｒ）、各補強プレート１６の板厚ｔは梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの板厚ｕ以上（ｔ≧ｕ）に設定することが好ましい。また、溶接の施工性の観点から、補強プレート１６の板厚ｔは、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの板厚ｕのワンサイズアップ以下に設定することが好ましい。

また、本実施形態では、各補強プレート１６の断面積Ｆを略同一に設定したがこれに限らない。各補強プレート１６の断面積Ｆは、前述した条件を満たせば良く、例えば、各補強プレート１６の幅Ｗ、板厚ｔ等を異なる値に設定しても良い。

次に、補強プレート１６の長手方向の長さについて説明する。

図１（Ａ）に示されるように、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１６の長手方向他端１６Ｌｉまでの長さ（必要長さ）Ｓ_２は、下記式（１）を満たすように設定されている。
Ｓ_２≧３Ｒ・・・（１）

一方、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏまでの長さ（必要長さ）Ｓ_１は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの拘束端１２ＢＫから梁軸方向に沿った貫通孔１４の中心Ｃまでの距離をＤとしたときに、下記式（２）及び式（３）を満たすように設定されている。
１．７５Ｒ≦Ｄ≦３．２５Ｒの場合、
Ｄ−０．２５Ｒ≦Ｓ_１≦Ｄ・・・（２）
２．２５Ｒ＜Ｄの場合、
Ｓ_１≧３Ｒ・・・（３）

ここで、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂにおける拘束端１２ＢＫは、その変形が鉄骨柱３０によって拘束される。従って、ウェブ部１２Ｂにおける拘束端１２ＢＫ付近の領域（以下、「拘束端側領域Ｅ」という）では、鉄骨柱３０による補強効果が得られるため、局部座屈が発生し難くなっている。そのため、拘束端側領域Ｅは、補強プレート１６によって補強する必要がない。従って、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域と拘束端側領域Ｅとが重複する場合は、その重複量に応じて補強プレート１６の必要長さＳ_１が前述した必要長さＳ_２よりも短くなる。

本実施形態では、梁ブラケット１２の拘束端１２ＢＫから貫通孔１４側（梁軸方向内側）へ０．２５Ｒまでの領域（Ｖ＝０．２５Ｒ）が拘束端側領域Ｅとされており、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域が拘束端側領域Ｅと重複するように、即ち、１．７５Ｒ≦Ｄ≦３．２５Ｒの範囲内に貫通孔１４が形成されている。従って、補強プレート１６の長さＳ_１は、上記式（２）を満たすように設定されている。なお、補強プレート１６の長さＳ_１の最小値は１．５Ｒである。

一方、図３に示されるように、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域と拘束端側領域Ｅとが重複しないように、即ち、３．２５Ｒ＜Ｄの範囲内に貫通孔１４が形成されている場合は、上記式（３）を満たすように補強プレート１６の長さＳ_１が設定される。この場合、鉄骨柱による補強効果が得られないため、補強プレート１６の必要長さＳ_１は、前述した補強プレート１６の長さＳ_２（式（１）参照）と同じになる。

次に、本実施形態に係る作用について説明する。

図２（Ａ）に示されるように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの片面には、一対の補強プレート１６が設けられている。これらの補強プレート１６は、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔１４の上下に配置されており、その上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがウェブ部１２Ｂの表面に接合されている。即ち、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに一体化されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６がその全断面積で抵抗可能となり、補強プレート１６の所定断面におけるせん断応力分布Ｑが矩形となる。従って、補強プレート１６の補強効果が向上する。

一方、図２（Ｂ）に示される比較例のように、高力ボルト４０及びナット４２によって補強プレート１６の中央部を梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに接合する構成では、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに一体化されず、自由端部となる。従って、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが抵抗できず、所定断面におけるせん断応力分布Ｑがパラボラ形状（半円形状）となる。従って、補強プレート１６の補強効果が低下する。

このように本実施形態では、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂを梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合することにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対して補強プレート１６がその全断面積で抵抗するため、補強プレート１６の補強効果が向上する。

また、本実施形態では、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの片面に一対の補強プレート１６を設ける構成であるため、当該ウェブ部１２Ｂの両面に一対の補強プレート１６を設ける構成と比較して施工性が向上する。

更に、従来技術（例えば、特許文献１）のように、梁ブラケットと梁本体とを連結する梁継手部に形成された貫通孔の上下に、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがるようにアングルを設けた構成では、梁継手部において梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とが連続しておらず、これらのウェブ部がせん断力に対して抵抗しない。従って、梁継手部に作用するせん断力には主としてアングルが抵抗するため、アングルの耐力負担が大きくなる。また、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とが連続しないため、アングルにはせん断力だけでなく、局所的な曲げモーメント（局所曲げモーメント）が作用する。従って、アングルの耐力負担が更に大きくなるため、アングルの必要板厚等が厚くなる。

これに対して本実施形態では、梁継手部を避けて梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに貫通孔１４を形成し、この貫通孔１４の上下に補強プレート１６を設ける構成であるため、補強プレート１６、及び貫通孔１４の周辺に残存するウェブ部１２Ｂがせん断力に対して抵抗する。従って、従来技術と比較して、補強プレート１６の耐力負担が小さくなるため、補強プレート１６の板厚等を薄くすることができる。

また、他の従来技術として、貫通孔の外周に沿ってリングプレート（リング状の当て板）等を梁ブラケット等のウェブ部に接合する補強方法がある。この補強方法では、リングプレートの形状が円形であることから、鋼材からリングプレートを切りだすときに鋼材の無駄が生じる。さらに、溶接代を確保するためにウェブ部の貫通孔よりも大きな貫通孔を有するリングプレートを形成する必要があるため、鋼材の無駄が大きい。

これに対して本実施形態では、補強プレート１６の形状が矩形であることから、鋼板から補強プレート１６を効率よく切り出すことができるため、鋼材の無駄が少ない。更に、後述する性能解析の結果に基づいて、各補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆ_ｓｕｍ、及び長さＳ_１，Ｓ_２が設定されている。従って、過剰な補強を抑制することができるため、補強プレート１６の鋼材の無駄を省くことができる。更に、後述する性能解析の結果に基づいて、各補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆ_ｓｕｍ、及び長さＳ_１，Ｓ_２を設定することにより、貫通孔１４がない梁ブラケット１２と同等の力学的性状を得ることができる。

また、前述したように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂには、貫通孔１４周辺部の耐力低下領域が拘束端１２ＢＫ側の拘束端側領域Ｅと重複するように貫通孔１４が形成されている。従って、鉄骨柱３０によって貫通孔１４周辺部の耐力低下領域が補強されるため、切断面ＣＰから梁軸方向内側へ延びる補強プレート１６の長手方向他端１６Ｌｉまでの長さＳ_２と比較して、切断面ＣＰから梁軸方向外側（鉄骨柱３０側）へ延びる補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏまでの長さＳ_１を短くすることができる。従って、補強プレート１６の材料コストを削減することができる。更に、鉄骨柱３０と補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏとの間に拘束端側領域Ｅ分の隙間を空けることができるため、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに対する補強プレート１６の接合作業が容易となる。

以上説明したように、本実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、貫通孔１４が形成された梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに対する補強プレート１６の補強効果を向上することができる。

次に、上記実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例について説明する。

上記実施形態では、補強プレート１６としてフラットバーを用いたが、形鋼を用いても良い。例えば、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示される変形例のように、補強プレート１８をＬ形鋼で構成しても良い。具体的には、補強プレート１８はＬ形鋼で構成され、フランジ部１８Ｔとウェブ部１８Ｕとを備えている。この補強プレート１８は、ウェブ部１８Ｕを梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに重ねると共に、フランジ部１８Ｔを貫通孔１４側に向けて配置されている。

ここで、補強プレート１８は、上記実施形態における補強プレート１６の上端部１６Ａ又は下端部１６Ｂに、当該上端部１６Ａ又は下端部１６Ｂから補強プレート１６の面外方向へ延出するフランジ部１８Ｔを設けたものである。即ち、補強プレート１８のウェブ部１８Ｕが上記実施形態における補強プレート１６（フラットバー、図１（Ａ）参照）に相当し、その上端部１８Ｕ１及び下端部１８Ｕ２が梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに隅肉溶接等で接合されている。また、２本の補強プレート１８のウェブ部１８Ｕの断面積Ｆの合計値Ｆ_ｓｕｍが、貫通孔１４による梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの最大断面欠損面積Ｇ_ｍａｘ以上（Ｆ_ｓｕｍ≧Ｇ_ｍａｘ）になるように設定されている。

更に、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１８の長手方向他端１８Ｌｉまでの長さ（必要長さ）Ｓ_２は、下記式（４）を満たすように設定されている。
Ｓ_２≧２．５Ｒ・・・（４）

一方、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１８の長手方向一端１８Ｌｏまで長さ（必要長さ）Ｓ_１は、下記式（５）及び式（６）を満たすように設定されている。
１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．７５Ｒの場合、
Ｄ−０．２５Ｒ≦Ｓ_１≦Ｄ・・・（５）
２．７５Ｒ＜Ｄの場合、
Ｓ_１≧２．５Ｒ・・・（６）

このように補強プレート１８をＬ形鋼で構成することにより、フラットバーで構成された補強プレート１６（図１（Ｂ）参照）と比較して、補強プレート１８の必要長さＳ_１，Ｓ_２を短くすることができる。従って、補強プレート１８の材料コストを削減することができる。また、後述する性能解析の結果から分かるように、補強プレート１６と比較してＨ形鋼梁１０の変形性能を向上することができる。

なお、補強プレートを構成する形鋼として、例えば、Ｔ形鋼、Ｃ形鋼、Ｈ形鋼、Ｚ形鋼等を用いることも可能である。例えば、補強プレートをＴ形鋼で構成した場合は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに重ねられるＴ形鋼のフランジ部が上記実施形態における補強プレート１６（フラットバー）に相当する。また、補強プレートをＣ形鋼で構成した場合は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに重ねられるＣ形鋼のウェブ部又はフランジ部が上記実施形態における補強プレート１６（フラットバー）に相当する。なお、Ｔ形鋼、Ｃ形鋼、Ｈ形鋼、Ｚ形鋼等で構成された補強プレートの必要条件は、前述したフラットバーで構成された補強プレートと同様である。

次に、上記実施形態では、梁継手部（図示省略）を有するブラケットタイプのＨ形鋼梁１０を例に説明したが、上記実施形態は、梁継手部を有しないＨ形鋼梁についても適用可能である。例えば、図５には、ダイアフラム工法によって鉄骨柱３０に接合されたノンブラケットタイプのＨ形鋼梁２０が示されている。鉄骨梁としてのＨ形鋼梁２０は、上下一対のＦＡランク相当のフランジ部２０Ａと、貫通孔１４が形成されたＦＡランク相当のウェブ部２０Ｂを備えている。このＨ形鋼梁２０は、そのフランジ部２０Ａが鉄骨柱３０の外周面に設けられた一対の外ダイアフラム３２に溶接等で接合されると共に、そのウェブ部２０Ｂが鉄骨柱３０の外側面に設けられたガセットプレート３４に重ねられて高力ボルト３６によって接合されている。

このようにダイアフラム工法によって鉄骨柱３０に接合されたＨ形鋼梁２０には、一般に梁継手部が存在しないが、このようなＨ形鋼梁２０についても上記実施形態は適用可能である。即ち、上記実施形態における梁継手部を避けてウェブ部に形成された貫通孔とは、梁継手部が必須であることを意味するものではなく、本変形例におけるＨ形鋼梁２０のように梁継手部が存在しないウェブ部２０Ｂに形成された貫通孔１４も含む概念である。なお、ダイアフラムは、外ダイアフラム３２に限らず、内ダイアフラム、通しダイアフラムでも良い。

また、ガセットプレート３４によって鉄骨柱３０とＨ形鋼梁２０のウェブ部２０Ｂとを接合する構成では、ウェブ部２０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａに沿った部位が、ウェブ部２０Ｂの拘束端２０ＢＫとなる。従って、上記式（１）〜式（３）を用いる場合は、拘束端２０ＢＫを基準として貫通孔１４の中心Ｃまでの距離Ｄを求めることになる。なお、ガセットプレート３４に限らず、ガセットプレート３４に相当する部材によって鉄骨柱３０とＨ形鋼梁２０のウェブ部２０Ｂとが接合される場合についても同様である。

次に、図６（Ａ）に示される変形例のように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに２つの貫通孔２２，２４が隣接して形成されている場合は、一対の補強プレート２６によってウェブ部１２Ｂにおける２つの貫通孔２２，２４の周辺部を補強しても良い。

具体的には、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂには、半径が異なる２つの貫通孔２２，２４が隣接して形成されている。貫通孔２２は中心Ｃ_１を中心とする半径Ｒ_１の円形の孔とされ、貫通孔２４は中心Ｃ_２を中心とする半径Ｒ_２（Ｒ_１＞Ｒ_２）の円形の孔とされている。これらの貫通孔２２，２４の上下には、２つの貫通孔２２，２４にまたがるように一対の補強プレート２６がそれぞれ設けられている。なお、一対の補強プレート２６は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの片面に設けられている。

また、一対の補強プレート２６に関し、貫通孔２４の中心Ｃ_２を通る切断面ＣＰ_２から梁軸方向に沿った補強プレート２６の長手方向他端２６Ｌｉまでの長さＳ_２は、上記式（１）を満たすように設定されており、貫通孔２２の中心Ｃ_１を通る切断面ＣＰ_１から梁軸方向に沿った補強プレート２６の長手方向一端２６Ｌｏまでの長さＳ_１は上記式（２）及び式（３）を満たすように設定されている。更に、補強プレート２６の幅Ｗや断面積等の条件も、上記実施形態と同様である。

なお、本変形例では、補強プレート２６の長さＳ_１は貫通孔２２の半径Ｒ_１を基準として設定され、補強プレート２６の長さＳ_２は貫通孔２４の半径Ｒ_２を基準として設定される。例えば、補強プレート２６の長さＳ_１を算出する際は、式（２）及び式（３）における半径Ｒとして貫通孔２２の半径Ｒ_１が用いられる。また、半径Ｒ_１及び半径Ｒ_２の大きい方をＲ_ｍａｘとすると、補強プレート２６の幅Ｗは、Ｗ≧Ｒ_ｍａｘに設定されている。なお、貫通孔２２の半径Ｒ_１と貫通孔２４の半径Ｒ_２とは、同じでも良いし、Ｒ_１＜Ｒ_２でも良い。

このように２つの貫通孔２２，２４にまたがる一対の補強プレート２６によってウェブ部１２Ｂにおける貫通孔２２，２４の周辺部を補強することにより、２つの貫通孔２２，２４を別々の補強プレート２６で補強する構成と比較して、補強プレート２６の数を低減することができる。従って、施工性が向上する。また、２つの貫通孔２２，２４の周辺部に対する補強を別々に検討し、貫通孔２２の周辺部にのみ補強が必要な場合であっても、貫通孔２２に貫通孔２４が接近していると、貫通孔２４の影響によって貫通孔２２の周辺部に対する補強のみでは性能を確保できない場合がある。この場合に、一対の補強プレート２６によって貫通孔２２，２４の周辺部を連続補強とすることにより性能を確保することができる。

なお、貫通孔２２の半径Ｒ_１と貫通孔２４の半径Ｒ_２の平均値をＲ_ａｖｅ（＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／２）とし、貫通孔２２，２４の中心Ｃ_１，Ｃ_２間の距離をＰとしたときに、４Ｒ_ａｖｅ＜Ｐとなる場合は、図６（Ｂ）に示されるように、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔２２，２４の周辺部を別々の補強プレート４６，４８で補強しても良い。また、梁ブラケット１２に作用する曲げモーメントは、鉄骨柱３０から離れるに従って小さくなる。従って、４Ｒ_ａｖｅ＜Ｐであって、補強の必要がない程度に貫通孔２４が鉄骨柱３０から離れている場合は、貫通孔２４を補強しなくても良い。

また、図６（Ｂ）に示される変形例において、切断面ＣＰ_１から補強プレート４６の長手方向一端４６Ｌｏまでの長さＳ_１、及び切断面ＣＰ_１から補強プレート４６の長手方向他端４６Ｌｉまでの長さＳ_２を求める際は、上記式（１）〜式（３）における半径Ｒとして、貫通孔２２の半径Ｒ_１を用いれば良い。これと同様に、切断面ＣＰ_２から補強プレート４８の長手方向一端４８Ｌｏまでの長さＳ_１、及び切断面ＣＰ_２から補強プレート４８の長手方向他端４８Ｌｉまでの長さＳ_２を求める際は、上記式（１）〜式（３）における半径Ｒとして、貫通孔２４の半径Ｒ_２を用いれば良い。

次に、上記実施形態では、鉄骨梁としてＨ形鋼梁１０を例に説明したが、例えば、図７に示される変形例のように、断面形状が閉断面とされた鉄骨梁５０に上記実施形態を適用しても良い。具体的には、鉄骨梁５０は、上下一対のフランジ部５０Ａと、これらのフランジ部５０Ａを繋ぐ複数（本変形例では、２枚）のウェブ部５０Ｂを備えている。これらのウェブ部５０Ｂは、上下一対のフランジ部５０Ａの間に対向して設けられ、フランジ部５０Ａと共に閉断面を構成している。また、各ウェブ部５０Ｂには貫通孔５２が形成されている。更に、各ウェブ部５０Ｂの外面には一対の補強プレート１６が設けられており、これらの補強プレート１６によって各ウェブ部５０Ｂが補強されている。

このように断面形状が閉断面とされた鉄骨梁５０では、上記実施形態は特に有効である。断面形状が閉断面とされた鉄骨梁５０では、ウェブ部５０Ｂの内面に補強プレート１６を接合し難いためである。これと同様に、断面形状が閉断面とされたボックス形の鉄骨梁に対しても上記実施形態は有効である。

また、例えば、上記実施形態において貫通孔１４の周辺に小梁が取り付く場合は、補強プレート１６を回し溶接すれば良い。更に、補強プレート１６は一部材（一枚板）に限定されず、分割された複数部材を一部材と同等の性能になるように接合して用いることも可能である。小梁用ガセットプレート等により分割される場合も同様である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、一実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

次に、性能解析について説明する。

＜概要＞
本性能解析では、補強プレートの長さ、形状等をパラメータとし、解析モデルを用いた有限要素法による解析を行った。

＜解析モデル＞
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）には、各解析モデルの基本モデルが示されている。基本モデルにおけるＨ形鋼梁６０は、曲げモーメントが卓越するロングスパン梁を模擬したものであり、長手方向一端部が図示しない鉄骨柱に固定された片持ち梁とされている。Ｈ形鋼梁６０は、上下一対のフランジ部６０Ａとウェブ部６０Ｂを備えたＦＡランク相当のＨ形鋼（強度４９０Ｎ／ｍｍ^２級）であり、梁スパンが１６００ｍｍ、梁成が３００ｍｍとされている。また、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂには中心Ｃを中心とした半径Ｒ（＝５５ｍｍ）の円形の貫通孔６４が形成されており、ウェブ部６０Ｂの最大断面欠損面積Ｇ_ｍａｘが６６０ｍｍ^２（＝半径５５ｍｍ×２×板厚６ｍｍ）とされている。また、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄは、２Ｒとされている。更に、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの板厚は６ｍｍとされている。

Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに対する補強としては、図８（Ｂ）に示されるようにウェブ部６０Ｂの片面に補強プレートとしての一対のフラットバー（平鋼板）６６を設けた構成（以下、「補強タイプ１」という）と、図９に示されるようにウェブ部６０Ｂの片面に補強プレートとしての一対のＬ形鋼６８を設けた構成（以下、「補強タイプ２」という）を用いた。

補強タイプ１における一対のフラットバー６６は、貫通孔６４の上下に設けられており、上下端部がＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの表面に固定されている。また、補強タイプ２における一対のＬ形鋼６８は、フランジ部６８Ｔとウェブ部６８Ｕとを備え、ウェブ部６８ＵをＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに重ねると共に、フランジ部６８Ｔを貫通孔６４側に向けて配置されている。また、Ｌ形鋼６８では、ウェブ部６８Ｕの上下端部がＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに固定されている。なお、フラットバー６６，７０及びＬ形鋼６８の強度は、Ｈ形鋼梁６０と同じ４９０Ｎ／ｍｍ^２級に設定されている。

図１０には、各モデル１〜９の詳細が示されている。これらのモデル１〜９について、Ｈ形鋼梁６０の長手方向一端部を固定した状態で、Ｈ形鋼梁６０の長手方向他端部の加力点Ｐ（フランジ部６０Ａ間の中間点）に鉛直荷重を上方へ付加しながら同加力点（変位測定点）Ｐの変位を計測した。

なお、モデル１は、基本モデルに貫通孔６４が形成されていない無孔の構成である。また、図１０に示される補強プレートの各種寸法は、補強タイプ１ではフラットバー６６の寸法を示し、補強タイプ２ではＬ形鋼６８のウェブ部６０Ｂの寸法を示している。

＜評価基準＞
性能評価では、全塑性耐力及び塑性変形倍率の２つの項目について評価した。なお、全塑性耐力及び塑性変形倍率の２つの項目が以下の基準値を満たすことが必須条件である。全塑性耐力とは、図１１（Ａ）に示されるように、解析結果から得られた荷重変形関係において、初期剛性の延長線８０と二次勾配の延長線８２が交差する交点８４の荷重（耐力）を意味し、無孔のモデル１の全塑性耐力を基準にモデル２〜９の全塑性耐力を評価した。また、塑性変形倍率は変形性能を表す指標であり、図１１（Ｂ）に示されるように、前述した全塑性耐力の変位をδ_Ｐとし、最大耐力の変位をδ_Ｕとしたときに、塑性変形倍率＝（δ_Ｕ／δ_Ｐ）−１で表されるものであり、鋼構造限界状態設計指針・同解説（日本建築学会）に規定されたＦＡランクに相当するＰ−１―１区分（塑性変形倍率≧４）を基準に、モデル２〜９の塑性変形倍率を評価した。

＜性能解析の結果＞
図１２〜図１５には、性能解析の結果が示されている。

先ず、図１２には、モデル１、及びモデル２〜４の解析結果が示されている。なお、モデル２〜４では、フラットバー６６の長さＳ_２が異なっている（図１０参照）。

図１０及び図１２から分かるように、モデル２〜４では、全塑性体耐力がそれぞれ１６０．５１ｋＮ、１６２．２８ｋＮ，１６０．９５ｋＮとなり、基準値（モデル１の全塑性耐力１５３．７６ｋＮ）以上となった。また、モデル２，３では、塑性変形倍率がそれぞれ３．５５、３．６９となり、基準値を下回った（塑性変形倍率＜４）。一方、モデル４では、塑性変形倍率が４．２３となり、基準値以上となった（塑性変形倍率≧４）。このことから、フラットバー６６の長さＳ_１が１．７５Ｒ以上、且つフラットバー６６の長さＳ_２が３．０Ｒ以上のときに、無孔のモデル１と同等の力学的性状が得られることが確認できる。

ここで、フラットバー６６では、必要長さＳ_１が必要長さＳ_２よりも短くなっている。これは、図８（Ａ）に示されるように、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫの支持条件が固定とされているため、拘束端６０ＢＫ周辺部の変形が小さくなったためと考えられる。本解析では、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄが２Ｒとされている。従って、距離Ｄからフラットバー６６及びＬ形鋼６８の必要長さＳ_１を差し引いた領域、即ち、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４側へ０．２５Ｒ（＝２Ｒ−１．７５Ｒ）までの領域（図１（Ａ）における拘束端側領域Ｅに相当）では、フラットバー６６による補強が不要であることが確認できる。

次に、図１３には、モデル１，及びモデル５〜７の解析結果が示されている。なお、モデル５〜７では、Ｌ形鋼６８の長さＳ_２が異なっている（図１０参照）。

図１０及び図１３から分かるように、モデル５〜７では、全塑性体耐力がそれぞれ１６１．６２ｋＮ、１６３．１６ｋＮ、１６３．１６ｋＮとなり、基準値（モデル１の全塑性耐力１５３．７６ｋＮ）以上となった。また、モデル５では塑性変形倍率が３．７２となり、基準値を下回った（塑性変形倍率＜４）。一方、モデル６，７では、塑性変形倍率が４．２７、５．０６となり、基準値以上となった（塑性変形倍率≧４）。このことから、Ｌ形鋼６８の長さＳ_１が１．７５Ｒ以上、且つＬ形鋼６８の長さＳ_２が２．５Ｒ以上のときに、無孔のモデル１と同等の力学的性状が得られることが確認できる。また、Ｌ形鋼６８を用いたモデル５〜７では、フラットバー６６を用いたモデル２〜４よりも塑性変形倍率が大きくなった。このことから、Ｌ形鋼６８を用いることにより、フラットバー６６と比較してＨ形鋼梁６０の変形性能が向上することが確認できる。

次に、図１４には、モデル１、及びモデル４，８の解析結果が示されている。なお、モデル８は、ダイアフラム工法による鉄骨柱との接合を模擬したモデルであり、モデル４において、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの片面にガセットプレート３４（図５参照）を設けたものである。なお、図５を用いて説明すると、モデル８では、Ｈ形鋼梁２０のウェブ部２０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａ（図５参照）から貫通孔１４の中心Ｃまでの距離Ｄが２Ｒとされている。また、ガセットプレート３４が重ねられたウェブ部２０Ｂの領域は、その支持条件が固定とされている。

図１４から分かるように、モデル８の解析結果がモデル４の解析結果に近似した。このことから、モデル８では、ウェブ部６０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａ（図５参照）に沿った部位が、モデル４におけるウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫに相当することが確認できる。これは、補強タイプ１，２が適用されたモデル２〜９に、ガセットプレートを設けた構成についても同様であると考えられる。

次に、図１５には、モデル４、及びモデル４においてフラットバー６６にＳＳ４００（強度４００Ｎ／ｍｍ^２級）を用いたモデル９の解析結果が示されている。なお、モデル４では、フラットバー６６にＳＮ４９０（強度４９０Ｎ／ｍｍ^２級）が用いられている。

図１５から分かるように、モデル９の解析結果がモデル４の解析結果に近似した。このことから、フラットバー６６の鋼材強度は、Ｈ形鋼梁６０の鋼材強度と同等、若しくはＨ形鋼梁６０の鋼材強度のワンランク下程度でも良いことが確認できる。これは、補強タイプ１，２におけるフラットバー６６及びＬ形鋼６８の鋼材強度についても同様であると考えられる。

以上の性能解析の結果から上記実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の有効性が確認できた。

１２梁ブラケット
１２Ｂウェブ部
１２ＢＫ拘束端
１４貫通孔
１６各補強プレート
１６Ａ上端部
１６Ｂ下端部
１６Ｌｏ長手方向一端
１６Ｌｉ長手方向他端
１８補強プレート
１８Ｕ１上端部
１８Ｕ２下端部
１８Ｌｏ長手方向一端
１８Ｌｉ長手方向他端
２０形鋼梁
２０Ｂウェブ部
２０ＢＫ拘束端
２２貫通孔
２４貫通孔
２６補強プレート
２６Ｌｏ長手方向一端
２６Ｌｉ長手方向他端
３０鉄骨柱
３４Ａ端部（拘束端）
４６補強プレート
４６Ｌｏ長手方向一端
４６Ｌｉ長手方向他端
４８補強プレート
４８Ｌｏ長手方向一端
４８Ｌｉ長手方向他端
５０鉄骨梁
５０Ｂウェブ部
５２貫通孔
６０Ｈ形鋼梁
６０Ｂウェブ部
６０ＢＫ拘束端
６４貫通孔
６６フラットバー（補強プレート）
６８Ｌ形鋼（補強プレート）
７０フラットバー（補強プレート）
ＣＰ切断面
ＣＰ_１切断面
ＣＰ_２切断面

Claims

梁継手部を避けてウェブ部に円形の貫通孔が形成された鉄骨梁と、
前記ウェブ部の片面に設けられ、長手方向を前記鉄骨梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、
を備え、
前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、
前記切断面から前記補強プレートの長手方向両端までの長さをそれぞれＳ _１，Ｓ _２、前記貫通孔の半径をＲとしたときに、
前記補強プレートがＬ形鋼の場合、Ｓ _１ ≧２．５Ｒ、かつＳ _２ ≧２．５Ｒとされ、
前記補強プレートがＬ形鋼以外の場合、Ｓ _１ ≧３．０Ｒ、かつＳ _２ ≧３．０Ｒとされている鉄骨有孔梁の補強構造。
梁継手部を避けてウェブ部に貫通孔が形成された鉄骨梁と、
前記ウェブ部の片面に設けられ、長手方向を前記鉄骨梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、
を備え、
前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、
前記鉄骨梁が接合される鉄骨柱によって拘束される前記ウェブ部の拘束端から前記貫通孔の中心までの距離をＤ、前記貫通孔の半径をＲ、前記切断面から前記鉄骨柱側の前記補強プレートの長手方向一端までの長さをＳ _１、前記切断面から前記補強プレートの長手方向他端までの長さをＳ _２としたときに、
前記補強プレートがＬ形鋼の場合、１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．７５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ _１ ≦Ｄ、かつＳ _２ ≧２．５Ｒとされ、
前記補強プレートがＬ形鋼以外の場合、１．７５Ｒ≦Ｄ≦３．２５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ _１ ≦Ｄ、かつＳ _２ ≧３．０Ｒとされている鉄骨有孔梁の補強構造。